Казалось бы, как связаны кассовые аппараты, бесконечная офисная макулатура, наведение боевых ракет и, например, концерты электронной музыки? Эти области так далеко друг от друга, что кажется, что у них совсем нет ничего общего. Однако, это не совсем так. Во всех этих областях применяются лазеры!
Сканеры штрихкодов, лазерные принтеры, системы лазерного наведения и световые шоу на концертах! И это только малая часть того, где они нашли свое применение. Область их применения — огромная: от медицины и промышленности до детских игрушек и офисной техники!
Сегодня мы с вами посмотрим на то как работают лазеры, какая прекрасная физика за ними спрятана и как лазерные технологии стали незаменимыми в современном мире, а з аодно посмотрим каким образом лазерные принтеры способны печатать по 30-40 страниц в минуту и как квантовые эффекты помогают вам печатать документы!
История и принцип работы
Вообще, если говорить правильно, то лазер — это просто акроним, который плотно вошел в нашу жизнь. Если разбить, то получается Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation или если перевести, то получится «усиление света посредством вынужденного излучения”.
И началом истории создания лазеров можно считать 1916 год, когда Альберт Эйнштейн в своей теоретической работе предсказал возможность некоторых атомов проявлять этот эффект вынужденного излучения. Явление является физическим фундаментом, на основе которого работают все лазеры и оно прекрасно по своей сути.
Сейчас будет чуть-чуть теории, но мы все объясним.
Эйнштейн предсказал, что могут существовать такие квантовые системы, как атомы, молекулы и ядра, которые могут переходить в особое возбужденное состояние под воздействием фотона света! Они его как бы поглощают!
Дальше этот возбужденный атом может пойти двумя разными путями.
Первый, это когда атом возвращается в спокойное состояние самостоятельно спустя какое-то время. Время это, кстати, обычно очень короткое — всего несколько десятков наносекунд. И при этом переходе атом испускает фотон, с определенной длиной волны.
Но есть и второй путь, который как раз самый интересный — это когда в этот возбужденный атом прилетает еще один фотон. При этом он как бы выбивает второй фотон из возбужденного атома и дальше они летят уже парой.
И самое интересное, что это не просто какие-то два разных фотона. Они абсолютно одинаковые, у них совпадают абсолютно все параметры!
Новый, созданный фотон имеет ту же энергию, фазу, поляризацию, а также направление распространения, что и исходных фотон, который при этом не поглощается. Называется это явление когерентностью.
В итоге эти фотоны летят дальше уже парочкой, пока не встречают новый возбужденный атом и так далее. Случается что-то наподобие лавинного эффекта.
Когда летит куча фотонов, которые продолжают создавать все больше и больше себе подобных братьев-близнецов и все они летят в одном и том же направлении!
Такой эффект возбуждения могут проявлять совсем не все материалы, но, в целом, их довольно много — это могут быть как кристаллы с полупроводниками, так и жидкости и даже некоторые газы. Например, углекислый газ — отсюда и знаменитый углекислотный лазер!
И все эти материалы испускают фотоны с определенными параметрами — отсюда и такое большое разнообразие различных лазеров! Они могут отличаться по мощности, длине волны, то есть цвету, а так же быть постоянными или импульсными.
Но тут вы можете заметить, что фотоны получаются хоть и направленные, но все равно, изначально-то они могут лететь в любую сторону! Почему же тогда лазеры светят так сильно и луч почти не рассеивается, если изначально все светит во все стороны? Тут на помощь приходят зеркала.
Фактически нашу лавину из одинаковых фотонов заключают в бесконечный цикл отражений от одной стенки цилиндра, к другой. И работает это как усилитель излучения. Лавина фотонов летает от одного края цилиндра к другому генерируя все больше и больше таких же фотонов.
То есть все фотоны, которые летают от зеркала к зеркалу, создают просто бесконечное количество одинаковых собратьев, а вот те которые изначально летят наружу цилиндра — просто рассеиваются. При этом зеркала эти немного различаются. Одно — отражает падающий свет полностью, а второе может пропускать через себя небольшую часть этого света.
Это и позволяет на выходе из лазера получать узконаправленный, когерентный и монохромный свет! Тут еще стоит сказать, что лазер не может начать работать сам по себе.
Для этого существуют разные варианты, чтобы дать этот первичный толчок лавине фотонов. Это называется первичной накачкой. Бывают очень разные источники — зачастую это электрический разряд.
Например, такой разряд применяется в полупроводниковых диодах, которые используются лазерных принтерах или головках для считывания компакт-дисков! Если конечно вы еще помните, что такое компакт-диски!
Также источником могут служить и определенные химические реакции или вообще другой менее мощный лазер! Все зависит от области применения и требований.
Применение лазеров
В целом, сегодня очень трудно найти область, где бы не применялись лазеры! Это универсальные инструменты, которые применяют для всего, начиная от медицины, строительства и детских игрушек и заканчивая передачей информации в космосе и сверхмощными лазерами, которые используются в лазерном термоядерном синтезе!
Лазер — это возможность очень точно контролировать интенсивность, длину волны, мощность и главное — распространение нужного света. Именно это и позволило лазерным технологиям так разрастись по всем областям.
Принтеры
Но давайте посмотрим на более приземленные варианты. Давайте взглянем на то, как квантовый эффект вынужденного излучения каждый день делает нашу жизнь чуть проще.
Давайте разберем как работает лазерный принтер и посмотрим мы это на примере принтера Pantum M7100DW.
Что же делает лазер в лазерном принтере? Он наносит рисунок путем удаления отрицательного заряда с барабана! Что спросите вы? С какого барабана? Сейчас объясним.
В лазерном принтере есть цилиндр, называемый OPC drum, на который наносится отрицательный заряд. Этот заряд наносится равномерно по всей поверхности этого барабана. Далее на его поверхность светит лазерный луч. Но как мы уже и сказали, лазерный луч можно практически идеально контролировать!
Этот луч светит только на определенные области, с которых этот отрицательный заряд удаляется. Именно таким образом и формируется картинка, только в самом начале эта картинка состоит только из заряженных и незаряженных областей на барабане. Теперь же надо перенести ее на бумагу!
Здесь нам на помощь уже приходит картридж и тонер! Картридж содержит в себе специальный порошок, каждая частичка которого заряжена тоже отрицательно. За счет этого заряда он налипает очень тонким слоем именно на те участки барабана, которые за счет лазера потеряли свой заряд. И за качеством тонера и картриджа действительно очень важно следить, так как использование некачественных картриджей может быть даже вредно для здоровья.
В нашем принтере Pantum используется оригинальный картридж TL-410 и это очень важно, так как делает печать не только экологичнее, но и дешевле. Ведь они экономят тонер. Кроме того, используя оригинальный картридж можно рассчитывать на 2-3 года бесплатного сервисного обслуживания!
Ну а дальше дело за малым — так как наш желаемый рисунок уже на барабане, осталось только перенести на бумагу, которая просто прислоняется к нему.
Кстати, замечали когда-нибудь что бумага из принтеров выходит горячей? Это специальный нагреватель который как бы запекает тонер на бумаге, а его температура может достигать аж 350 градусов в некоторых моделях!
Наш лазерный принтер Pantum M7100DW позволяет печатать по Wi-Fi, в том числе и просто с телефона, а скорость печати составляет 33 страницы в минуту в высоком разрешении 1200 на 1200 и с максимальным объемом печати в 60 000 страниц в месяц! Он вообще умеет много всего и вот его спеки и фишки:
- Скорость печати 33ppm
- МФУ 3 в 1 Print/Copy/Scan
- Поддержка двусторонней печати
- Установка драйверов в один шаг
- USB кабель в комплекте
- Надежная конструкция с металлическим каркасом
- Автоподатчик документов для сканирования и копирования
- Сканирование на USB накопитель
- Ресурс картриджа 6000 страниц
- Печать по Wi-Fi и со смартфона
- Приложение PANTUM APP с поддержкой печати документов
- Быстрое подключение по NFC
В общем, он умеет все, что должен принтер сегодня!
Сканер штрихкодов
Давайте разберем еще одну область применения лазеров, с которой мы сталкиваемся каждый день! Зачем нужен лазер в сканере штрихкодов?
Вы ведь помните, что штрихкод это набор вертикальных линий при том разной толщины. Но вы никогда не задумывались, почему большинство штрихкодов именно черно-белые и почему линии разной толщины?
Черно-белые это просто единицы и нули двоичного кода! А линии на самом деле все одинаковой толщины, просто когда идут несколько одинаковых единиц или нулей подряд, то они сливаются в одну толстую либо белую, либо черную линию!
Но как же считать этот код и при чем тут лазер?
Помните, что они именно черно-белые, белый свет лучше отражает падающий свет, а черный, наоборот, отлично поглощает падающее излучение! В итоге, лазерный луч сканирует поверхность штрихкода, с одной стороны в другую, и там где белая полоса отраженный свет попадает обратно в сканер, где его фиксирует специальный датчик. Соответственно, когда лазерный луч попадает на черную полосу, то отражения не происходит и датчик ничего не фиксирует! Вот и весь секрет работы сканеров штрихкодов.
Выводы
Сегодня мы с вами посмотрели на то, как и почему работают лазеры! Поняли, как мы с вами практически ежедневно взаимодействуем с результатом более чем ста лет исследований в области квантов, физики, химии и материаловедения!
Лазеры стали нашим абсолютно неоценимым помощником во всех областях жизни и можно только ждать, что же еще человечество придумает делать с этими лазерами. Лично я конечно же жду лазерный меч, ну или хотя бы бластеры!
